¿Por qué Internet cuántico debería construirse en el espacio?

Satélites cuánticos MS Tech / Fuente: NASA

El internet cuántico es un sueño que muchos tecnólogos han expuesto en los últimos años. La idea es explotar las extrañas propiedades cuánticas de los fotones y electrones para enviar mensajes con perfecto secreto.

Eso tiene una aplicación obvia para los gobiernos y las fuerzas armadas, pero es cada vez más interesante para los bancos y otras operaciones comerciales que necesitan asegurar todo, desde contratos hasta transacciones financieras. Además, este tipo de seguridad es cada vez más necesario porque las computadoras cuánticas podrán descifrar los códigos que se utilizan actualmente para mantener la privacidad de muchos mensajes.

Y eso plantea una pregunta interesante: ¿cómo deberían los científicos e ingenieros emprender la tarea de construir una Internet cuántica que se extienda por todo el mundo?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Sumeet Khatri y colegas de la Universidad Estatal de Luisiana en Baton Rouge. Este equipo ha estudiado las diversas formas en que se podría construir una Internet cuántica y dice que el enfoque más rentable es crear una constelación de satélites cuánticos capaces de transmitir continuamente fotones entrelazados al suelo. En otras palabras, la Internet cuántica debería estar basada en el espacio.

Primero algunos antecedentes. En el corazón de cualquier red cuántica se encuentra la extraña propiedad del entrelazamiento. Este es el fenómeno en el que dos partículas cuánticas comparten la misma existencia, aunque estén separadas por grandes distancias. Asegura que una medición en una de estas partículas influye inmediatamente en la otra, una maravilla que Einstein llamó acción espeluznante a distancia.

Los físicos suelen distribuir el entrelazamiento utilizando pares de fotones creados en el mismo punto e instante en el tiempo. Cuando los fotones se envían a diferentes lugares, el entrelazamiento que los une puede explotarse para enviar mensajes seguros.

El problema es que el enredo es frágil y difícil de preservar. Cualquier pequeña interacción entre uno de los fotones y su entorno rompe el vínculo. De hecho, esto es exactamente lo que sucede cuando los físicos transmiten fotones entrelazados directamente a través de la atmósfera oa través de fibras ópticas. Los fotones interactúan con otros átomos en la atmósfera o el vidrio, y se destruye el enredo. Resulta que la distancia máxima sobre la que se puede compartir el enredo de esta manera es de unos pocos cientos de kilómetros.

Entonces, ¿cómo construir una Internet cuántica que comparta el entrelazamiento en todo el mundo? Una opción es usar repetidores cuánticos, dispositivos que miden las propiedades cuánticas de los fotones a medida que llegan y luego transfieren estas propiedades a los nuevos fotones que se envían en su camino. Esto preserva el enredo, lo que le permite saltar de un repetidor al siguiente. Sin embargo, esta tecnología es altamente experimental y está a varios años de explotación comercial.

Entonces, otra opción es crear los pares de fotones entrelazados en el espacio y transmitirlos a dos estaciones base diferentes en el suelo. Estas estaciones base luego se enredan, lo que les permite intercambiar mensajes con perfecto secreto.

En 2017, un satélite chino llamado Micius demostró por primera vez que el enredo se puede compartir de esta manera. Resulta que los fotones pueden viajar mucho más lejos en este escenario porque solo los últimos 20 kilómetros del viaje son a través de la atmósfera, siempre que el satélite esté alto en el cielo y no demasiado cerca del horizonte.

Khatri y compañía dicen que una constelación de satélites similares es una forma mucho mejor de crear una Internet cuántica global. La clave es que para comunicarse de forma segura, dos estaciones terrestres deben poder ver el mismo satélite al mismo tiempo para que ambas puedan recibir fotones entrelazados de él.

¿A qué altitud deben volar los satélites para brindar una cobertura lo más amplia posible? ¿Y cuántos se necesitarán? Dado que los satélites son actualmente un recurso costoso, nos gustaría tener la menor cantidad posible de satélites en la red y al mismo tiempo mantener una cobertura completa y continua, dicen Khatri y compañía.

Para averiguarlo, el equipo modeló tal constelación. Resulta que hay una serie de compensaciones importantes a tener en cuenta. Por ejemplo, menos satélites pueden proporcionar cobertura global cuando orbitan a gran altura. Pero altitudes más altas conducen a mayores pérdidas de fotones.

Además, los satélites a altitudes más bajas solo pueden abarcar distancias más cortas entre las estaciones base, porque ambas deben poder ver el mismo satélite al mismo tiempo.

Dadas estas limitaciones, Khatri y compañía sugieren que el mejor compromiso es una constelación de al menos 400 satélites que vuelen a una altitud de alrededor de 3000 kilómetros. Por el contrario, el GPS opera con 24 satélites.

Incluso entonces, la distancia máxima entre las estaciones base se limitará a unos 7.500 kilómetros. Esto significa que un sistema de este tipo podría admitir mensajes seguros entre Londres y Mumbai, que están a 7200 km de distancia, pero no entre Londres y Houston, a 7800 km de distancia, ni entre ciudades que estén más alejadas. Ese es un inconveniente significativo.

Sin embargo, una Internet cuántica basada en el espacio supera significativamente a los sistemas terrestres de repetidores cuánticos, dicen Khatri y compañía. Los repetidores tendrían que estar espaciados a intervalos de menos de 200 kilómetros, por lo que cubrir largas distancias requeriría un gran número de ellos. Esto introduce su propio conjunto de limitaciones para una Internet cuántica. Por lo tanto, encontramos que los satélites ofrecen una ventaja significativa sobre la distribución de enredos en tierra, dicen Khatri y compañía.

Por supuesto, tal sistema requeriría una inversión significativa. China tiene una ventaja obvia, ya que ha probado un satélite en órbita con este tipo de tecnología. Y tiene planes de ir más allá.

Por el contrario, Europa y EE. UU. parecen tener menos ambición a este respecto. Eso podría cambiar rápidamente si esta tecnología puede demostrar su valor. si es así, la carrera espacial cuántica puede estar a punto de calentarse.

Ref: arxiv.org/abs/1912.06678 : Acción espeluznante a distancia global: análisis de la tasa de recursos de una red de distribución de entrelazamiento basada en el espacio para la Internet cuántica

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